Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля

Исследованы спектры рентгенолюминесценции твердых растворов Zn₁–xNixO ряда составов, включая оксид никеля (x = 1), в окрестности линий I₁ и I₂ с энергиями 3,339 и 3,393 эВ. Ранее обнаружена сильная температурная зависимость этих линий, подобная проявляющейся при наблюдении донорных...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Физика низких температур
Дата:	2019
Автори:	Чурманов, В.Н., Соколов, В.И., Пустоваров, В.А., Груздев, Н.Б., Иванов, В.Ю.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2019
Теми:	Спеціальний випуск. «XXII Уральська міжнародна зимова школа з фізики напівпровідників» (20–23 лютого, 2018)
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175964
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля / В.Н. Чурманов, В.И. Соколов, В.А. Пустоваров, Н.Б. Груздев, В.Ю. Иванов // Физика низких температур. — 2019. — Т. 45, № 2. — С. 258-262. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860242283181375488
author	Чурманов, В.Н. Соколов, В.И. Пустоваров, В.А. Груздев, Н.Б. Иванов, В.Ю.
author_facet	Чурманов, В.Н. Соколов, В.И. Пустоваров, В.А. Груздев, Н.Б. Иванов, В.Ю.
citation_txt	Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля / В.Н. Чурманов, В.И. Соколов, В.А. Пустоваров, Н.Б. Груздев, В.Ю. Иванов // Физика низких температур. — 2019. — Т. 45, № 2. — С. 258-262. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Физика низких температур
description	Исследованы спектры рентгенолюминесценции твердых растворов Zn₁–xNixO ряда составов, включая оксид никеля (x = 1), в окрестности линий I₁ и I₂ с энергиями 3,339 и 3,393 эВ. Ранее обнаружена сильная температурная зависимость этих линий, подобная проявляющейся при наблюдении донорных и акцепторных экситонов 3d-примесей в соединениях II–VI:3d, а также изменение соотношения интенсивности с повышением температуры и различная кинетика затухания, что позволило предположительно связать происхождение линий I₁ и I₂ с излучательным распадом экситонов, имеющих разную природу. На основании полученных в работе результатов было подтверждено, что ширина запрещенной щели данных соединений не зависит от состава растворов (т.е. от концентрации x), а в соединении NiO вблизи дна зоны проводимости имеется набор состояний никеля как d-, так и s-типа. На основании проведенного анализа электронного энергетического спектра, рассчитанного для исследованных твердых растворов Zn₁–xNixO, установлено, что одна из наблюдаемых линий спектра рентгенолюминесценции связана с экситоном s–pтипа, а другая — с экситоном p–d-типа. Досліджено спектри рентгенолюмінесценції твердих розчинів Zn₁–xNixO, що мають різний склад, включаючи оксид нікелю (x = 1), поблизу ліній I₁ та I₂ з енергіями 3,339 та 3,393 еВ. Раніше було виявлено сильну температурну залежність цих ліній, яка подібна до виявленої при спостереженні донорних та акцепторних екситонів 3d-домішок в сполуках II–VI:3d, а також зміна співвідношення інтенсивності з підвищенням температури та різна кінетика загасання, що дозволило імовірно пов’язати походження ліній I₁ и I₂ з випромінювальним розпадом екситонів, які мають різну природу. На підставі отриманих в роботі результатів було підтверджено, що ширина забороненої щілини даних сполук не залежить від складу розчинів (тобто від концентрації x), а в сполуці NiO поблизу дна зони провідності є набір станів нікелю як d-, так і s-типу. На основі проведеного аналізу електронного енергетичного спектра, який розраховано для досліджених твердих розчинів Zn₁–xNixO, встановлено, що одна з ліній спектра рентгенолюмінесценції, яка спостерігається, пов’язана з екситоном s–p-типу, а інша — з екситоном p–d-типу. The given paper is devoted to investigation of the x-ray luminescence spectra of Zn₁–xNixO solid solutions of a number of concentrations, including NiO (x = 1) around the lines I₁ and I₂ with energies of 3,339 and 3,393 eV correspondingly. Earlier a strong temperature dependence on these lines similar to the one manifesting itself during observation of the donor and acceptor excitons of 3d-impurities in II–VI:3d compounds had been discovered, along with the changing of ratio of intensities with the increasing of temperature and different decay kinetics, which allowed us to assume the origin of I₁ and I₂ lines with radiative annihilation of excitons with the different physical nature. The results achieved in the study allowed the authors to confirm the fact that the width of bandgap in the given compounds does not depend on their composition (i.e., on concentration x) and in NiO near the bottom of the conduction band a number of states of nickel of both d- and s-types exists. Basing on the conducted analysis of electronic energy spectrum, calculated for the investigated solid solutions Zn₁–xNixO it was concluded that one of the lines of the x-ray luminescence spectrum is connected with the exciton of the s–p-type, and the other with the exciton of the p–d-type.
first_indexed	2025-12-07T18:31:06Z
format	Article
fulltext	Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 2, c. 258–262 Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля В.Н. Чурманов2, В.И. Соколов1, В.А. Пустоваров2, Н.Б. Груздев1, В.Ю. Иванов2 1Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов им. М.Н. Михеева Уральского отделения РАН ул. С. Ковалевской, 18 , г. Екатеринбург, 620108, Россия 2Уральский федеральный университет, ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия E-mail: visokolov@imp.uran.ru Статья поступила в редакцию 9 октября 2018 г., опубликована онлайн 20 декабря 2018 г. Исследованы спектры рентгенолюминесценции твердых растворов Zn1–xNixO ряда составов, включая оксид никеля (x = 1), в окрестности линий I1 и I2 с энергиями 3,339 и 3,393 эВ. Ранее обнаружена сильная температурная зависимость этих линий, подобная проявляющейся при наблюдении донорных и акцеп- торных экситонов 3d-примесей в соединениях II–VI:3d, а также изменение соотношения интенсивности с повышением температуры и различная кинетика затухания, что позволило предположительно связать происхождение линий I1 и I2 с излучательным распадом экситонов, имеющих разную природу. На осно- вании полученных в работе результатов было подтверждено, что ширина запрещенной щели данных со- единений не зависит от состава растворов (т.е. от концентрации x), а в соединении NiO вблизи дна зоны проводимости имеется набор состояний никеля как d-, так и s-типа. На основании проведенного анализа электронного энергетического спектра, рассчитанного для исследованных твердых растворов Zn1–xNixO, установлено, что одна из наблюдаемых линий спектра рентгенолюминесценции связана с экситоном s–p- типа, а другая — с экситоном p–d-типа. Ключевые слова: твердые растворы Zn1–xNixO, экситоны, люминесценция, широкозонные полупровод- ники. Введение Структура энергетического спектра оксидных соеди- нений переходных металлов 3d-типа (таких как NiO и CoO), а также оксида цинка с примесями переходных металлов относится к актуальной тематике физики би- нарных оксидов. Одним из методов решения проблем в этой области является исследование экситонов. В дан- ной работе продолжены исследования твердых раство- ров Zn1–xNixO, начатые в работах [1–4]. В работе [1] в спектрах рентгенолюминесценции данного соединения при x = 0,3 были обнаружены две интенсивные линии при энергиях 3,339 и 3,393 эВ. В работе [2] сообщалось о сильном влиянии температуры на эти линии I1 и I2: сдвиге и уширении линий, а также об изменении соот- ношения их интенсивностей с повышением температу- ры. Если при температуре 30 К линии одинаково ин- тенсивны, то с понижением температуры до 8 К интенсивность линии I2 становится вдвое больше, чем линии I1. В той же работе сообщалось о разном харак- тере кинетики затухания этих линий как при темпера- туре 7,5 К, так и при температуре 30 К. Было также показано, что такое поведение подобно влиянию тем- пературы на донорные и акцепторные экситоны 3d- примесей в соединениях II–VI:3d, например ZnO:Ni; ZnSe:Ni [5]. Различный характер кинетики затухания и температурной зависимости линий I1 и I2 позволил высказать соображение о разной физической природе этих линий. В теоретической работе [6] было показано, что ширина запрещенной щели твердых растворов Zn1–xNixO практически не зависит от состава x, а дно зоны проводимости формируется d-состояниями нике- ля и s-состояниями цинка, что оправдывает наше до- пущение о разной природе линий I1 и I2. Кроме того, наличие 4s-состояний в зоне проводимости оксида ни- келя отмечалось в работе [7], согласно этой работе © В.Н. Чурманов, В.И. Соколов, В.А. Пустоваров, Н.Б. Груздев, В.Ю. Иванов, 2019 Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции данное состояние расположено на расстоянии прибли- зительно 5 эВ от дна зоны проводимости. В настоящей работе исследованы спектры люми- несценции твердых растворов Zn1–xNixO при различ- ных величинах концентрации х (в том числе и образ- цов NiO, т.е. при х = 1) в области линий I1 и I2 и при различных величинах энергии возбуждения в области края оптического поглощения. Основной целью прове- денных исследований было изучение возможных ме- ханизмов релаксации носителей заряда и излучатель- ной рекомбинации с использованием люминесцентной спектроскопии с разрешением во времени порядка не- скольких наносекунд. Новые экспериментальные дан- ные позволяют считать, что линии I1 и I2 возникают в результате излучательной аннигиляции экситонных образований. Разница состоит в том, что эти образова- ния для линий I1 и I2 имеют разный тип: в одном случае это экситон s–p-типа {eh}, а в другом — p–d-экситон с переносом заряда типа {d9h}; s–p-экситон возникает в результате кулоновского связывания s-электрона цинка или никеля в зоне проводимости и p-дырки кислорода в валентной зоне, а d–p-экситон образуют d-электрон никеля в зоне проводимости и p-дырка кислорода в валентной зоне. Эксперимент Измерения спектров люминесценции были выполне- ны на образцах NiO и твердых растворах Zn1–xNixO с кристаллической структурой каменной соли. В качестве исходного материала использовались порошки NiO (99%; Prolabo) и ZnO (99,99%; Alfa Aesar), которые бы- ли спрессованы в таблетки под давлением приблизи- тельно 1250 бар и помещены в золотые капсулы. Экспе- рименты по затуханию при 7,7 ГПа и 1000–1100 К были выполнены с использованием аппарата высокого давле- ния тороидного типа. Детали методики эксперимента и калибровки описаны в работе [8]. Размеры зерен иссле- дуемых образцов по данным электронной микроскопии составляли около 10–20 мкм. Спектры фотолюминес- ценции были записаны в двух вариантах: либо в инте- гральном окне (время–интегрированные спектры), в котором временной интервал между импульсами син- хротронного облучения составлял 96 нс и во время это- го интервала велась регистрация, либо в быстром окне с параметрами δt = 0,1 нс, Δt = 20 нс, где δt — промежу- ток времени между импульсом и началом регистрации, а Δt — продолжительность регистрации импульса. Вре- менное разрешение системы детектирования составляло 250 пс. Разрешенные во времени спектры фотолюми- несценции (ФЛ), а также кинетика затухания под воз- действием XUV возбуждения были измерены при тем- пературе 8 К, используя синхротронное облучение, монохроматизированное с помощью монохроматора Zeiss SX700. Эмиссионные спектры ФЛ были измерены с использованием вакуумного монохроматора (0,4 м схема Сейя–Намиока) и фотоумножителя (MCP 1645, Hamamatsu). Результаты и обсуждения На рис. 1(a) представлены результаты исследования рентгеновской люминесценции твердых растворов Zn0,4Ni0,6O при селлективном возбуждении XUV фото- нами из ультрамягкой рентгеновской области с энер- гиями 130 и 850 эВ и температуре T = 8 К. В резуль- тате такого возбуждения возникают электрон в зоне проводимости и дырка во внутренней оболочке облу- чаемого атома. Затем эта дырка перемещается в валент- ную зону в результате рентгеновской флюоресценции или оже-процесса. В конечном итоге возникают дырка возле вершины валентной зоны и релаксированный электрон на дне зоны проводимости. При энергии воз- буждения Eexc = 130 эВ глубина проникновения излу- чения синхротронного облучения составляет 0,02 мкм, а при Eexc = 850 эВ — 0,43 мкм [9]. В твердых раство- рах Zn1–xNixO электронно-дырочные пары возникают на глубине приблизительно 0,05 мкм от поверхности под воздействием оптического междузонного возбужде- ния [9]. При наличии оптического возбуждения дефект- ность материала имеет наибольшую степень вблизи по- верхности и значительно уменьшается при возбуждении с энергией Eexc = 850 эВ. Как показано в работе [2], кинетика затухания линии I1 при энергии возбуждения Eexc = 130 эВ значительно медленнее, чем линии I2. Так, при температуре 7,5 К время затухания этих ли- ний составляет соответственно 0,61 и 0,09 нс. Время релаксации дырки к вершине валентной зоны оценива- ется значительно ниже обеих этих величин. Субнаносе- кундная величина времени затухания люминесценции дает нам возможность приписать происхождение излу- чательной рекомбинации, в результате которой прояв- ляются наблюдаемые линии I1 и I2, исключительно электронам вблизи дна зоны проводимости и дыркам вблизи вершины валентной зоны. Процессы возбужде- ния могут также индуцировать d–d-переходы с перено- сом заряда, т.е. переходы электрона с одного иона ни- келя на другой, в результате которых образуются Ni+(d9) и Ni+3(d7) ионы. d9-состояния формируют зону проводимости, тогда как d7-состояния расположены глубже, в валентной зоне. Дырки в d-состояниях будут подниматься к вершине валентной зоны за то же вре- мя, что и дырки, генерированные рентгеновским воз- буждением. Таким образом, d–d-переходы с переносом заряда не могут возникать при субнаносекундной или наносекундной излучательной рекомбинации. На рис. 1(б) приведены результаты исследования люминесценции твердых растворов Zn1–xNixO с другим значением концентрации никеля х = 0,2 (Zn0,8Ni0,2O). Спектры люминесценции Zn0,8Ni0,2O на рис. 1(б) при- ведены для энергий возбуждения Eexc = 130 эВ (3) и 450 эВ (4) и температуре T = 8 К. На рис. 2 представлен Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 2 259 В.Н. Чурманов, В.И. Соколов, В.А. Пустоваров, Н.Б. Груздев, В.Ю. Иванов аналогичный спектр для чистого оксида никеля (что соответствует случаю х = 1) при Eexc = 130 эВ и T = 8 К. Из сравнения рисунков 1(a), (б) и 2 хорошо за- метно отсутствие сдвига линий в сторону больших либо меньших энергий с изменением величины x, изменяется лишь соотношение интенсивностей линий. Тем самым, был экспериментально подтвержден сделанный в работе [6] вывод о том, что ширина запрещенной щели в твердых растворах Zn1–xNixO не зависит от концентра- ции ионов цинка, а также показано, что в соединении NiO вблизи дна зоны проводимости имеется набор со- стояний никеля как d- , так и s-типа. Энергетические положения линий I1 и I2 для различных концентраций цинка в твердых растворах Zn1–xNixO схематически по- казаны на рис. 3, где видно, что эти положения практи- чески не зависят от концентрации цинка. Инвариантное поведение ширины запрещенной зоны было доказано недавними результатами EXAFS исследований в работе [10]. Согласно этой работе, межатомные расстояния Ni–O почти не зависят от состава твердого раствора Zn1–xNixO (0,2 ≤ x ≤ 1,0) со структурой каменной соли и, таким образом, электростатическое взаимодействие в Ni–O6-кластере практически одинаково для любого состава. Именно поэтому энергетические состояния как d8-конфигурации иона Ni2+, так и состояния d9+h имеют одинаковые энергетические величины для всех твердых растворов Zn1–xNixO. Согласно теоретическим расчетам зонной структу- ры соединений Zn1–xNixO и NiO [6,11], зона проводи- мости и валентная зона этих материалов формируются за счет гибридизации 2p-состояний кислорода и 3d- состояний никеля. Для оксида никеля вершина валент- ной зоны конкретно сформирована 2p-состояниями ки- слорода и t2g-состояниями никеля. Ширина валентной Рис. 1. Разрешенные во времени спектры люминесценции твердых растворов Zn0,4Ni0,6O (быстрое окно) при энергии возбуж- дения Eexc = 130 эВ (1) и 850 эВ (2) и температуре T = 8 К (a); спектры люминесценции Zn0,8Ni0,2O (интегральное окно) при энергии возбуждения Eexc = 130 эВ (3) и 450 эВ (4) и температуре T = 8 К (б). Рис. 2. Спектр люминесценции NiO, Eexc = 130 эВ; T= 8 К. 260 Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 2 Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции зоны составляет 7,5 эВ. В формирование дна зоны про- водимости основной вклад вносят eg-состояния никеля, имеется также небольшой вклад от 2p-состояний ки- слорода. Увеличение концентрации цинка ведет, глав- ным образом, к сокращению количества незаполнен- ных 3d-образований никеля. Следовательно, высота пиков, соответствующих eg-зоне проводимости будет уменьшаться. Вероятно, именно поэтому линия I1 на рис. 1(б) (соответствующая составу Zn0,8Ni0,2O) имеет меньшую интенсивность, чем на рис. 1(a) (для случая Zn0,4Ni0,6O). На основании вышесказанного можно сде- лать вывод, что происхождение узких линий I1 и I2 в спектрах люминесценции соединений Zn1–xNixO и NiO обязано излучательной рекомбинации двух типов экси- тонов. А именно: обе линии связаны с экситонами Ва- нье–Мотта, только линия I1 с экситоном s–p-типа {eh} (возникающего в результате кулоновского связывания s-электрона цинка или никеля в зоне проводимости и p-дырки кислорода в валентной зоне), а линия I2 — с экситоном p–d-типа {d9h} (его образуют d-электрон никеля в зоне проводимости и p-дырка кислорода в валентной зоне, также за счет кулоновского связыва- ния). Возможные механизмы образования этих линий показаны на рис. 4. В правой части этого рисунка по- казаны описанные выше процесс возбуждения с обра- зованием дырки во внутренней оболочке возбуждаемо- го атома (сплошной стрелкой) и процессы релаксации дырки к вершине валентной зоны и электрона ко дну зоны проводимости (пунктирными стрелками). В левой же части рис. 4 приведены зонные кривые s- и p- типа, а также связанные с s- и p-подзонами проводимости экси- тонные уровни. Из всего этого можно также заключить, что s-состояние никеля в NiO лежит вблизи дна зоны проводимости. Этот вывод отчасти подтверждается ре- зультатами последних теоретических расчетов электрон- ных состояний NiO [12], показывающими, что s-состоя- ние иона Ni2+ лежит невысоко относительно дна зоны проводимости. Ранее же предполагалось [7], что s-состоя- ние никеля находится в зоне проводимости очень вы- соко — на расстоянии 5 эВ от ее дна. Вычисления энергетического спектра оксида никеля показывают, что в формировании валентной зоны уча- ствуют d-состояния ближайших ионов никеля, распо- ложенных на расстоянии 2,09 Å от некоторого иона кислорода, и валентная зона имеет большую энергети- ческую ширину. А вот зона проводимости формирует- ся в результате перекрывания d-состояний ионов нике- ля, расположенных на большем расстоянии — 3,62 Å, и потому имеет значительно меньшую ширину по срав- нению с валентной зоной [11]. Этот факт косвенно под- тверждает экспериментальный результат, показываю- щий, что подвижность дырок больше, чем подвижность электронов. В результате межзонного возбуждения (сплошная стрелка на рис. 4) дырка начинает переме- щаться по ионам кислорода в кулоновском поле отрица- тельно заряженных центров Ni+, захвативших лишние девятые электроны. Такое электронно-дырочное образо- вание и называется p–d-экситоном с переносом заряда. Заключение Исследованы спектры люминесценции твердых рас- творов Zn0,4Ni0,6O и Zn0,8Ni0,2O, а также оксида никеля в спектральной области линий I1 и I2 при температуре 8 К. Экспериментально установлено, что ширина за- прещенной зоны твердых растворов Zn1–xNixO не зави- сит от концентраций ионов цинка и никеля. В дальней- шем это было подтверждено теоретическими расчетами. На основании экспериментальных и теоретических данных установлено, что узкие линии I1 и I2 в спектре люминесценции материалов указанного состава возни- кают в результате излучательной рекомбинации экси- тонов s–p- и p–d-типов. Рис. 3. Энергетическое положение линий I1 (■) и I2 (○) при различных концентрациях никеля x в твердых растворах Zn1–xNixO. Рис. 4. Возможные механизмы происхождения линий I1 и I2, возбуждения и релаксации в соединениях Zn1–xNixO. Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 2 261 В.Н. Чурманов, В.И. Соколов, В.А. Пустоваров, Н.Б. Груздев, В.Ю. Иванов Авторы благодарят В.И. Анисимова, А.В. Лукояно- ва, И.В. Леонова и М.А. Коротина за детальное обсуж- дение проблем экситонов в оксидных соединениях Zn1–xNixO. Работа была выполнена в рамках государственного контракта по теме «Электрон» № 01201463326. Иссле- дования были поддержаны Актом 211 Правительства Российской Федерации № 02.A03.21.0006. _______ 1. V.I. Sokolov, V.A. Pustovarov, V.N. Churmanov, V.Yu. Ivanov, N.B. Gruzdev, P.S. Sokolov, A.N. Baranov, and A.S. Moskvin, Phys. Rev. B 86, 115128 (2012). 2. V.I. Sokolov, V.A. Pustovarov, V.Yu. Ivanov, N.B. Gruzdev, P.S. Sokolov, and A.N. Baranov, Optics and Spectroscopy 116, 798 (2014). 3. V.N. Churmanov, V.I. Sokolov, N.B. Gruzdev, V.Yu. Ivanov, and V.A. Pustovarov, Phys. Proc. 76, 120 (2015). 4. V.N. Churmanov, V.I. Sokolov, N.B. Gruzdev, V.Yu. Ivanov, and V.A. Pustovarov, Phys. Status Solidi C 13, 610 (2016). 5. V.I. Sokolov, Semiconductors 28, 329 (1994). 6. M.A. Korotin, Z.V. Pchelkina, N.A. Skorikov, E.Z. Kurmaev, and V.I. Anisimov, J. Phys.: Condens. Matter 26, 115501 (2014). 7. G.A. Sawatzky and J.W. Allen, Phys. Rev. Lett. 53, 2339 (1984). 8. A.N. Baranov, P.S. Sokolov, O.O. Kurakevich, V.A. Tafeenko, D. Trots, and V.L. Solozhenko, High Pressure Research. 28, 515 (2008). 9. X-ray Interactions with Matter: http://henke.lbl.gov. 10. Yu. Babanov, D. Ponomarev, and Yu. Salamatov, J. Phys. Conf. Ser. 430, 012118 (2013). 11. J. Kuneš, V.I. Anisimov, A.V. Lukoyanov, and D. Vollhardt, Phys. Rev. B 75, 165115 (2007). 12. I.A. Nekrasov, N.S. Pavlov, and M.V. Sadovskii, J. Exp. Theor. Phys. 143, 713 (2013). ___________________________ Прояв екситонів в спектрах низькотемпературної люмінесценції твердих розчинів оксидів цинку та нікелю В.Н. Чурманов, В.І. Соколов, В.А. Пустоваров, Н.Б. Груздєв, В.Ю. Іванов Досліджено спектри рентгенолюмінесценції твердих роз- чинів Zn1–xNixO, що мають різний склад, включаючи оксид нікелю (x = 1), поблизу ліній I1 та I2 з енергіями 3,339 та 3,393 еВ. Раніше було виявлено сильну температурну залеж- ність цих ліній, яка подібна до виявленої при спостереженні донорних та акцепторних екситонів 3d-домішок в сполуках II–VI:3d, а також зміна співвідношення інтенсивності з підви- щенням температури та різна кінетика загасання, що дозволи- ло імовірно пов’язати походження ліній I1 и I2 з випроміню- вальним розпадом екситонів, які мають різну природу. На підставі отриманих в роботі результатів було підтверджено, що ширина забороненої щілини даних сполук не залежить від складу розчинів (тобто від концентрації x), а в сполуці NiO поблизу дна зони провідності є набір станів нікелю як d-, так і s-типу. На основі проведеного аналізу електронного енергетичного спектра, який розраховано для досліджених твердих розчинів Zn1–xNixO, встановлено, що одна з ліній спектра рентгенолюмінесценції, яка спостерігається, пов’яза- на з екситоном s–p-типу, а інша — з екситоном p–d-типу. Ключові слова: тверді розчини Zn1–xNixO, екситон, люмінес- ценція, широкозонні напівпровідники The manifestation of excitons in low-temperature luminescence spectra of solid solutions of zinc and nickel oxides V.N. Churmanov, V.I. Sokolov, V.A. Pustovarov, N.B. Gruzdev, and V.Yu. Ivanov The given paper is devoted to investigation of the x-ray lumi- nescence spectra of Zn1–xNixO solid solutions of a number of concentrations, including NiO (x = 1) around the lines I1 and I2 with energies of 3,339 and 3,393 eV correspondingly. Earlier a strong temperature dependence on these lines similar to the one manifesting itself during observation of the donor and acceptor excitons of 3d-impurities in II–VI:3d compounds had been dis- covered, along with the changing of ratio of intensities with the increasing of temperature and different decay kinetics, which allowed us to assume the origin of I1 and I2 lines with radiative annihilation of excitons with the different physical nature. The results achieved in the study allowed the authors to confirm the fact that the width of bandgap in the given compounds does not depend on their composition (i.e., on concentration x) and in NiO near the bottom of the conduction band a number of states of nickel of both d- and s-types exists. Basing on the conducted anal- ysis of electronic energy spectrum, calculated for the investigated solid solutions Zn1–xNixO it was concluded that one of the lines of the x-ray luminescence spectrum is connected with the exciton of the s–p-type, and the other with the exciton of the p–d-type. Keywords: Zn1–xNixO solid solutions, excitons, luminescence, wide gap semiconductors. 262 Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 2 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.115128 https://doi.org/10.1134/S0030400X14050245 https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.10.022 https://doi.org/10.1002/pssc.201510245 https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/11/115501 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.53.2339 https://doi.org/10.1080/08957950802379307 http://henke.lbl.gov/ https://doi.org/10.1088/1742-6596/430/1/012118 https://doi.org/10.1088/1742-6596/430/1/012118 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.165115 Введение Эксперимент Результаты и обсуждения Заключение
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-175964
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0132-6414
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:31:06Z
publishDate	2019
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
record_format	dspace
spelling	Чурманов, В.Н. Соколов, В.И. Пустоваров, В.А. Груздев, Н.Б. Иванов, В.Ю. 2021-02-03T07:09:14Z 2021-02-03T07:09:14Z 2019 Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля / В.Н. Чурманов, В.И. Соколов, В.А. Пустоваров, Н.Б. Груздев, В.Ю. Иванов // Физика низких температур. — 2019. — Т. 45, № 2. — С. 258-262. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0132-6414 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175964 Исследованы спектры рентгенолюминесценции твердых растворов Zn₁–xNixO ряда составов, включая оксид никеля (x = 1), в окрестности линий I₁ и I₂ с энергиями 3,339 и 3,393 эВ. Ранее обнаружена сильная температурная зависимость этих линий, подобная проявляющейся при наблюдении донорных и акцепторных экситонов 3d-примесей в соединениях II–VI:3d, а также изменение соотношения интенсивности с повышением температуры и различная кинетика затухания, что позволило предположительно связать происхождение линий I₁ и I₂ с излучательным распадом экситонов, имеющих разную природу. На основании полученных в работе результатов было подтверждено, что ширина запрещенной щели данных соединений не зависит от состава растворов (т.е. от концентрации x), а в соединении NiO вблизи дна зоны проводимости имеется набор состояний никеля как d-, так и s-типа. На основании проведенного анализа электронного энергетического спектра, рассчитанного для исследованных твердых растворов Zn₁–xNixO, установлено, что одна из наблюдаемых линий спектра рентгенолюминесценции связана с экситоном s–pтипа, а другая — с экситоном p–d-типа. Досліджено спектри рентгенолюмінесценції твердих розчинів Zn₁–xNixO, що мають різний склад, включаючи оксид нікелю (x = 1), поблизу ліній I₁ та I₂ з енергіями 3,339 та 3,393 еВ. Раніше було виявлено сильну температурну залежність цих ліній, яка подібна до виявленої при спостереженні донорних та акцепторних екситонів 3d-домішок в сполуках II–VI:3d, а також зміна співвідношення інтенсивності з підвищенням температури та різна кінетика загасання, що дозволило імовірно пов’язати походження ліній I₁ и I₂ з випромінювальним розпадом екситонів, які мають різну природу. На підставі отриманих в роботі результатів було підтверджено, що ширина забороненої щілини даних сполук не залежить від складу розчинів (тобто від концентрації x), а в сполуці NiO поблизу дна зони провідності є набір станів нікелю як d-, так і s-типу. На основі проведеного аналізу електронного енергетичного спектра, який розраховано для досліджених твердих розчинів Zn₁–xNixO, встановлено, що одна з ліній спектра рентгенолюмінесценції, яка спостерігається, пов’язана з екситоном s–p-типу, а інша — з екситоном p–d-типу. The given paper is devoted to investigation of the x-ray luminescence spectra of Zn₁–xNixO solid solutions of a number of concentrations, including NiO (x = 1) around the lines I₁ and I₂ with energies of 3,339 and 3,393 eV correspondingly. Earlier a strong temperature dependence on these lines similar to the one manifesting itself during observation of the donor and acceptor excitons of 3d-impurities in II–VI:3d compounds had been discovered, along with the changing of ratio of intensities with the increasing of temperature and different decay kinetics, which allowed us to assume the origin of I₁ and I₂ lines with radiative annihilation of excitons with the different physical nature. The results achieved in the study allowed the authors to confirm the fact that the width of bandgap in the given compounds does not depend on their composition (i.e., on concentration x) and in NiO near the bottom of the conduction band a number of states of nickel of both d- and s-types exists. Basing on the conducted analysis of electronic energy spectrum, calculated for the investigated solid solutions Zn₁–xNixO it was concluded that one of the lines of the x-ray luminescence spectrum is connected with the exciton of the s–p-type, and the other with the exciton of the p–d-type. Авторы благодарят В.И. Анисимова, А.В. Лукоянова, И.В. Леонова и М.А. Коротина за детальное обсуждение проблем экситонов в оксидных соединениях Zn₁–xNixO. Работа была выполнена в рамках государственного контракта по теме «Электрон» № 01201463326. Исследования были поддержаны Актом 211 Правительства Российской Федерации № 02.A03.21.0006. ru Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України Физика низких температур Спеціальний випуск. «XXII Уральська міжнародна зимова школа з фізики напівпровідників» (20–23 лютого, 2018) Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля Прояв екситонів в спектрах низькотемпературної люмінесценції твердих розчинів оксидів цинку та нікелю The manifestation of excitons in low-temperature luminescence spectra of solid solutions of zinc and nickel oxides Article published earlier
spellingShingle	Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля Чурманов, В.Н. Соколов, В.И. Пустоваров, В.А. Груздев, Н.Б. Иванов, В.Ю. Спеціальний випуск. «XXII Уральська міжнародна зимова школа з фізики напівпровідників» (20–23 лютого, 2018)
title	Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля
title_alt	Прояв екситонів в спектрах низькотемпературної люмінесценції твердих розчинів оксидів цинку та нікелю The manifestation of excitons in low-temperature luminescence spectra of solid solutions of zinc and nickel oxides
title_full	Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля
title_fullStr	Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля
title_full_unstemmed	Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля
title_short	Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля
title_sort	проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля
topic	Спеціальний випуск. «XXII Уральська міжнародна зимова школа з фізики напівпровідників» (20–23 лютого, 2018)
topic_facet	Спеціальний випуск. «XXII Уральська міжнародна зимова школа з фізики напівпровідників» (20–23 лютого, 2018)
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175964
work_keys_str_mv	AT čurmanovvn proâvlenieéksitonovvspektrahnizkotemperaturnoilûminescenciitverdyhrastvorovoksidovcinkainikelâ AT sokolovvi proâvlenieéksitonovvspektrahnizkotemperaturnoilûminescenciitverdyhrastvorovoksidovcinkainikelâ AT pustovarovva proâvlenieéksitonovvspektrahnizkotemperaturnoilûminescenciitverdyhrastvorovoksidovcinkainikelâ AT gruzdevnb proâvlenieéksitonovvspektrahnizkotemperaturnoilûminescenciitverdyhrastvorovoksidovcinkainikelâ AT ivanovvû proâvlenieéksitonovvspektrahnizkotemperaturnoilûminescenciitverdyhrastvorovoksidovcinkainikelâ AT čurmanovvn proâveksitonívvspektrahnizʹkotemperaturnoílûmínescencíítverdihrozčinívoksidívcinkutaníkelû AT sokolovvi proâveksitonívvspektrahnizʹkotemperaturnoílûmínescencíítverdihrozčinívoksidívcinkutaníkelû AT pustovarovva proâveksitonívvspektrahnizʹkotemperaturnoílûmínescencíítverdihrozčinívoksidívcinkutaníkelû AT gruzdevnb proâveksitonívvspektrahnizʹkotemperaturnoílûmínescencíítverdihrozčinívoksidívcinkutaníkelû AT ivanovvû proâveksitonívvspektrahnizʹkotemperaturnoílûmínescencíítverdihrozčinívoksidívcinkutaníkelû AT čurmanovvn themanifestationofexcitonsinlowtemperatureluminescencespectraofsolidsolutionsofzincandnickeloxides AT sokolovvi themanifestationofexcitonsinlowtemperatureluminescencespectraofsolidsolutionsofzincandnickeloxides AT pustovarovva themanifestationofexcitonsinlowtemperatureluminescencespectraofsolidsolutionsofzincandnickeloxides AT gruzdevnb themanifestationofexcitonsinlowtemperatureluminescencespectraofsolidsolutionsofzincandnickeloxides AT ivanovvû themanifestationofexcitonsinlowtemperatureluminescencespectraofsolidsolutionsofzincandnickeloxides

Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля

Репозитарії

Схожі ресурси